کوانتوم، میهمان دنیای ماکرو: مشاهده حرکت کوانتومی در جهان ماکروسکوپی!

در جهان نیوتونی، هر جسمی در صورت اتمام انرژی اش، از حرکت خواهد ایستاد، اما در جهان میکروسکوپی قضیه کاملاً فرق می کند. مکانیک کوانتوم می گوید، سکون و آرام و قرار معنی ندارد! با دیپ لوک همراه باشید…تیمی از محققان دانشگاه کلتک کالیفرنیا، راهی برای مشاهده حرکت کوانتومی و کنترل آن در یک شی ماکروسکوپی پیدا کردند. نتیجه ی پژوهش آنها، ۴ روز پیش یعنی ۲۷ آگوست، در ژورنال Science منتشر شد.

حرکت، در گذر زمان…

سال ها بود که مکانیک کلاسیک به دانشمندان آموخته بود اشیای فیزیکی می توانند بدون حرکت باشند. مثلاً اگر یک توپ پینگ پنگ را داخل یک کاسه بیندازید، چندبار درون کاسه، عقب و جلو می رود و در نهایت بر اثر غلبه ی نیروهای دیگر (مانند گرانش و اصطکاک) در ته کاسه، ساکن می شود. اما این، جهان ماکروسکوپی است و همه ی ما میدانیم در دنیای کوانتومی، بسیاری از پدیده ها به شکل دیگری اتفاق می افتند. در طی دو سال گذشته دانشمندان سراسر دنیا دریافته اند که چگونه یک شی کوچک در مقیاس میکرو را به گونه ای سرد کنند تا در پایین ترین حالت یا همان حالت پایه ی کوانتومی اش، آرام بگیرد. اما همه ی آنها می دانند که حتی در حالت پایه ی کوانتومی در صفر مطلق هم، افت و خیزهای بسیار کوچک یا نویزها باقی می مانند. از آنجاییکه این حرکت های کوانتومی یا نویزها، بخش ذاتی حرکت تمام اشیای میکروسکوپی هستند، دانشمندان دستگاهی طراحی کردند که به آنها اجازه می دهد این نویز را مشاهده کرده و حتی آن را دستکاری کنند! این دستگاه میکروسکوپی دارای یک صفحه ی آلومینیومی انعظاف پذیر است که روی یک سوبسترای سیلیکونی می نشیند. این صفحه با یک مدار الکتریکی ابررسانا همراه شده و با سرعت ۳.۵ میلیون بار بر ثانیه ارتعاش می کند.

مشاهده حرکت کوانتومی

طبق قوانین مکانیک کلاسیکی، ساختارهای ارتعاشی اگر به حالت پایه سرد شوند، در نهایت کاملاً ساکن خواهند شد. اما این چیزی نبود که دانشمندان در این دستگاه مشاهده کردند. آنها حتی با سرد کردن تا حالت پایه، باز هم اندکی انرژی باقیمانده، یا همان نویز کوانتومی را مشاهده کردند. مکانیک کوانتومی می تواند رفتار عجیب و غریب یک الکترون را توضیح دهد، اما در مورد اشیای دنیای ماکرو چطور؟ همه ی ما میدانیم معادله ی موجی شرودینگر که نقطه ی شروع محاسبات کوانتومی است، در دنیای ماکروسکوپی به قانون دوم نیوتون کاهش می یابد و آن را اصل تطابق بوهر می نامیم. اما شاید تا چند سال آینده، بتوانیم بدون هیچ کاهشی، شاهد کاربرد مستقیم قوانین کوانتومی در دنیای ماکروسکوپی باشیم، درست مانند همین مقاله.

در این پژوهش از دستگاهی استفاده شده است که می توان آن را زیر میکروسکوپ نوری مشاهده کرد و بنابراین به جای یک اتم، اثرات کوانتومی را در یک تریلیون اتم مشاهده کرد. بنابراین دانشمندان، فیزیک کوانتومی را در مورد اشیای نسبتاً بزرگ به کار برده اند. اگر یادتان باشد چند هفته پیش هم مقاله ای در مورد درهم تنیده کردن اشیای ماکروسکوپی در دیپ لوک منتشر کردیم که در آن یکی دیگر از ویژگی های منحصربفرد کوانتومی، یعنی درهم تنیدگی به جهان ماکروسکوپی آورده شده بود. بنابراین اگر چه مکانیک کوانتوم در حال حاضر هم نقش بسیار مهمی در زندگی انسان ها ایفا می کند، اما هنوز هم بسیاری از پدیده های آن برایمان ناملموس است، چرا که هیچگاه آنها را به چشم ندیده ایم، اما با انتشار این دست مقالات، در آینده ای نزدیک باید منتظر ورود کوانتوم و  نتایج هیجان انگیز آن به زندگی روزمره باشیم.

به اصل موضوع بازگردیم: از آنجایی که این حرکت کوانتومی نویزی، همیشه وجود دارد و نمی توان آن را حذف کرد، می توان به کمک آن، حدی بنیادی را برای اندازه گیری دقیق مکان و موقعیت یک شی تعیین کرد. اما دانشمندان دریافتند که به هیچ وجه نمی توان از این حد، عبور کرد. آنها تکنیکی برای دستکاری این نویز کوانتومی و کاهش دوره ای بودن آن، ارائه کردند. این تکنیک روی یک دستگاه در مقیاس میکرون در آزمایشگاه کلتک استفاده شد. آنها در این تکنیک از حالت فشرده ی کوانتومی استفاده کردند. یعنی نویز را در یک مکان فشرده می کنند و به خاطر همین فشرده سازی، نویز به اجبار از مکان های دیگر نشت می کند. اما قرار نیست در این مکان های نشتی (دارای نویز بیشتر)، اندازه گیری انجام شود و بنابراین مشکلی هم به وجود نمی آید.

کاربرد بسیار جالب مشاهده حرکت کوانتومی

توانایی کنترل نویز کوانتومی را می توان برای بهبود دقت اندازه گیری های بسیار حساس، استفاده کرد. یکی از این اندازه گیری های حساس، پروژه ی LIGO است که به دنبال سیگنال های امواج گرانشی یا همان امواج فضا-زمان می گردد. در واقع دانشمندان در فکر استفاده از این روش برای شناسایی امواج گرانشی تپ اخترها هستند. تپ اخترها، ستارگان ابر چگالی هستند که به عنوان مثال، جرم خورشید ما را دارند اما شعاعشان به ۱۰ کیلومتر کاهش یافته و ۱۰۰ بار در ثانیه به دور خود می چرخند. در سال ۱۹۷۰، مقاله ای منتشر شد که ثابت کرد این تپ اخترها، نوعی امواج گرانشی، تابش می کنند که کاملاً دوره ای هستند. همین ادعا، دانشمندان را بشدت در مورد استفاده ی تکنیک جدید بر روی یک جسم در مقیاس یک گرمی برای کاهش نویز کوانتومی در آشکارسازها ترغیب کرده است. به منظور انجام این کار، دستگاه پژوهش حاضر، باید در مقیاس بزرگتری ساخته شود. آنها امیدوارند روزی بتوانند این تکنیک را برای امواج گرانشی هم به کارببرند. هدف اصلی دانشمندان، شناسایی مکانیک کوانتومی در مقیاس های بزرگ و بزرگتر است.

منبع: phys.org

برای آگاهی از تازه ترین مقالات دیپ لوک، ایمیل خود را در فیلد زیر وارد کنید: [wysija_form id=”1″]